鐵路列車控制系統簡析

梅 靖

（上海鐵路局上海通信段，上海 200434）

1 概述

鐵路列車行駛速度的不斷提高，對列車運行控制系統提出了更高的要求。列車運行控制系統是指以技術手段對列車運行方向、運行間隔和運行速度進行控制，使列車能夠安全運行并提高運行效率的系統，簡稱列控系統。列車運行控制系統基本功能包括：系統能反映出列車前方區段是空閑或是占用；指示列車可以運行的速度；先進的列車運行控制系統具有自動實施各種報警、制動的功能，以保證行車安全；并具有運行記錄的功能，用于分析列車運行狀態及設備維護等。

2 列控系統發展階段

隨著鐵路運輸的發展和科學技術的進步，列車運行控制系統經歷了以下幾個階段：地面人工控制方式、機車信號方式、軌道電路控制方式（TBTC）和基于通信的控制方式。

2.1 地面人工信號方式

鐵路運營開始就產生了如何控制列車間隔以保證行車安全的問題，從而提出了行車閉塞法。所謂“閉塞”就是指將列車正在運行的一定長度的線路區段封閉起來，不準許其他列車駛入，以防止發生列車迎面相撞或追尾等事故。開始時，人們在線路上安裝球體、文字指示牌、臂板等多種形式的信號設備。通過這些地面信號顯示，簡便地給司機以各種運行條件的指示，提醒司機采取相應的措施，以免發生列車正面沖突和追尾事故。這種站間閉塞關系靠人工保證，而不是靠設備保證，他們的主要特征是站與站的聯系開始是用電話，后為電報，然后輔之以路簽、路牌等。

2.2 機車信號方式

地面信號顯示為主的鐵路信號系統的運行控制是以司機嚴格遵守信號為前提。由于地面信號顯示系統有時受到自然環境（如霧、風沙、大雨等）的影響以及地形的限制，難以做到全天候連續不間斷顯示，存在明顯的安全隱患，不能滿足高速度、高密度的運營需要，因此，人們發明了機車信號設備，即車載信號設備通過接收地面設備傳送的信息，經譯碼處理后在司機室內復示地面信號顯示。這就大大改善了司機了望條件，使司機能夠在任何條件下從容地駕駛列車，在前方信號變為禁止信號時，及時采取制動措施，提高了列車運行的效率和安全程度。機車信號分為連續式和接近連續式。在有地面信號顯示時，機車信號的顯示應與線路上列車接近的地面信號機的顯示含義相符。機車停車位置應以地面信號機或有關停車標志為依據。

2.3 軌道電路控制方式

19世紀70年代，美國人魯賓孫發明了利用鋼軌作為通路構成軌道電路來檢查列車占用線路狀態，并傳遞信息，實現自動閉塞控制。基于軌道電路的列車控制系統（TBTC）有效地保證了行車安全，是提高行車效率的重要措施，也是我國鐵路當前采用最為廣泛的列車控制方式。

隨著鐵路的飛速發展，TBTC越來越無法滿足對列車控制的需要，主要表現在軌道電路只能以較低頻率發送信息，嚴重限制了軌道電路所能傳輸的信息量；線路分為若干個固定的閉塞分區，增加了列車的間距，從而嚴重影響了列車的通過能力，降低了運輸效率；軌道電路只能實現地面對列車的控制，無法實現車地之間的雙向通信，不能實現對列車閉環控制；TBTC系統工作的穩定性容易受環境的影響；TBTC系統工程造價昂貴且維護成本高等。

由于TBTC存在上述不足，難以滿足當前高速鐵路的快速發展，世界各國在不斷完善TBTC系統的同時，也在不斷研究新的列車控制系統。

2.4 基于通信的控制方式

隨著近幾十年來計算機技術、通信技術和控制技術的飛速發展，世界各國在研究新的列車控制系統過程中提出一種新的設想，能否用通信方法實現對列車的控制。與軌道電路方式相比，通信方式具有傳輸信息量大、速度快、能實現雙向通信、抗干擾能力強、靈活性好、建設和維護成本相對較低的優點。因此，在八十年代后出現的新型列車控制系統基本都采用無線通信作為車地之間的雙向信息通道，人們普遍將這一系統命名為基于通信的列車控制（CBTC）系統。1999年9月，IEEE制定了第一個CBTC標準，將CBTC定義為利用高精度的不依賴于軌道電路的列車定位，雙向連續、大容量的車地數據通信和車載、地面的安全功能處理器實現的一種連續自動列車控制系統。

3 CBTC系統特點

3.1 CBTC系統原理

CBTC的基本原理如圖1所示。調度控制中心（DCC）控制多個車站控制中心（SCC），實現相鄰SCC之間的控制交接。SCC通過管轄范圍內的多個基站（BS）與覆蓋范圍內的車載設備（OBE）實時雙向聯系。列車在區段內運行時，通過GPS、查詢應答器或里程計裝置實現列車位置和速度的測定，OBE利用無線通過BS將列車位置、速度信息發送給SCC。SCC通過BS周期地將目標位置、速度及線路參數等信息發送給后行列車。OBE收到信息后，根據前車、本車運行狀態、線路參數等，采用車上計算、地面SCC計算或同時計算，并根據信號故障倒向安全原則，預測列車在信息周期末的狀態能否滿足列車追蹤間隔的要求，從而確定合理的駕駛策略，實現列車高速、平穩地以最優間隔追蹤運行。

3.2 CBTC系統優缺點

CBTC系統具有以下優點。

1）通過對列車的精確定位，后續列車可以前行列車的車尾為跟蹤的目標點，從而取消固定的閉塞分區，實現移動閉塞，大幅度壓縮列車的追蹤間隔，增加發車密度，提高鐵路運輸效率。

2）采用數字無線通信方式能夠實現車地之間雙向大容量的傳輸，后方列車可以及時了解前方列車的運行情況，通過實時計算，為后方列車制定最佳的制動曲線，減少了不必要的加速和減速制動，改善旅客乘車舒適性，減少了能耗和污染排放。

3）軌道電路中的信號傳輸是開環的，即發送者并不能確切知道接收者是否真正接收到信息。而在CBTC系統中能實現地面控制中心與列車之間雙向通信，能實現對列車的閉環控制，提高了列車控制的可靠性；采用糾錯編碼、反饋重發、跳頻等各種技術提高了信息傳輸的可靠性，系統基本不受環境的影響，同時可以避免人為疏忽所造成的事故。

4）能減少地面信號設備和軌道電路設備，降低了系統造價和維護成本。

5）區段內所有運行列車的各種參數自動地發送給各種管理系統，從而避免人為錯誤，實現鐵路信息化。

CBTC系統也存在一些不足，主要表現在以下方面。

1）承載列控信息的無線信道不像有線信道那樣固定并可預見，而是具有極大的隨機性。

2）鐵路沿線復雜多變的地形，使無線信道傳播環境更為復雜，多徑衰落嚴重，影響信號傳輸質量。

3）高速移動（>250 km/h）的列車，會造成嚴重的多普勒頻移和擴展，從而導致無線信道呈現明顯的時變特性。

3.3 CBTC系統無線傳輸要求

CBTC系統對無線傳輸的可靠性、安全性和實時性提出了更高的要求。CBTC系統中無線通信系統需具備以下條件。

1）極高的數據傳輸可靠性，系統數據誤碼率BER=10-4～10-6，平均無故障時大于1 000 h。

2）滿足列車運行控制所需信息吞吐量和實時性要求，控制周期通常為50～100 ms。

3）必須是一種故障倒向安全傳輸方式。所謂故障倒向安全傳輸是指當傳輸設備發生故障或由于無線信道的噪聲導致傳輸信息發生錯誤時，能夠極力防止倒向危險的一種信息傳輸方式。

4 國內CBTC系統發展與展望

我國在CBTC系統方面的研究略遲于西方發達國家，近年來按照鐵道部鐵路建設發展的要求，我國CBTC系統的研究蓬勃展開，取得了一系列的成績。

京津城際、合武客運專線、武廣客運專線、京滬高速、滬寧城際、滬杭客運專線等多條鐵路上都先后采用了GSM-R系統，均采用基于通信的列控系統（CTCS-2級或CTCS-3級列控系統）進行列車控制。

CBTC系統是鐵路列控技術發展一次飛躍，是世界鐵路列控發展的方向。在后續的鐵路建設中還應重點研究能夠滿足CBTC系統要求、具有高可靠性、實時性和安全性的無線通信技術與實現方案，開發具有自主知識產權的技術，為我國CBTC系統的發展提供技術支持，推動我國CBTC的發展，提升鐵路的現代化水平。

[1] 汪希時．智能鐵路運輸系統ITS-R[M]．北京：中國鐵路出版社，2004.

[2] 鐘章隊，李旭，蔣文怡．鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[3] 步兵．CBTC系統中無線通信的可用性分析[D]．北京：北京交通大學，2001.